不靠植物，不靠糖：工業(yè)微生物如何學(xué)會(huì)“用光造物”？

如果能夠跳過(guò)“光合生物中轉(zhuǎn)站”，讓工業(yè)微生物直接利用太陽(yáng)能合成化學(xué)品，太陽(yáng)能向生物制造體系的轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)物多樣性將實(shí)現(xiàn)大幅提升。如何讓微生物真正“用光造物”，正成為合成生物學(xué)與能源科學(xué)交叉領(lǐng)域的重要前沿方向之一。

3月10日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合成生物學(xué)研究所研究員高翔團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京大學(xué)教授王元元團(tuán)隊(duì)、上海交通大學(xué)教授楊琛團(tuán)隊(duì)，在《自然—可持續(xù)發(fā)展》(Nature Sustainability)上發(fā)表最新研究成果。團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建出一種人工光合工程細(xì)胞，使非光合工業(yè)微生物能夠直接利用太陽(yáng)能，驅(qū)動(dòng)廢棄碳源向高附加值化學(xué)品高效轉(zhuǎn)化，為非糧碳源生物制造和綠色低碳產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提供了新的技術(shù)路徑。

讓工業(yè)微生物“直接用光”

光是地球生命最初的能量來(lái)源。此前有研究表明，植物和藻類等光合生物雖能通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能，但光能利用率通常不足1%；而工業(yè)常用的大腸桿菌、酵母等微生物無(wú)法直接利用光能，只能依賴光合生物合成的糖等，整體光能利用效率通常低于0.05%。在“太陽(yáng)能—光合生物—糖—微生物—產(chǎn)品”的傳統(tǒng)路徑中，大量能量被層層消耗。若能為工業(yè)微生物建立直接利用光能的“接口”，生物制造體系的能源效率有望實(shí)現(xiàn)根本性提升。

圍繞這一目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將半導(dǎo)體材料構(gòu)建為“人工捕光天線”。通過(guò)設(shè)計(jì)零維、一維、二維等不同形貌的半導(dǎo)體納米材料，系統(tǒng)優(yōu)化材料光吸收性能，從源頭提升光能轉(zhuǎn)化效率。更關(guān)鍵的是，研究人員將二維半導(dǎo)體材料直接送入微生物細(xì)胞內(nèi)部，在細(xì)胞內(nèi)裝上“人工捕光天線”。

圖 構(gòu)建“細(xì)胞內(nèi)人工捕光天線”

與傳統(tǒng)胞外材料需要電子跨膜傳遞的方式相比，這種“入胞式”設(shè)計(jì)顯著縮短了電子傳輸距離，降低能量損耗，使光生電子直接在細(xì)胞內(nèi)部參與代謝反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)從“外部供能”向“內(nèi)部驅(qū)動(dòng)”的轉(zhuǎn)變。工程微生物由此真正具備了直接利用太陽(yáng)能進(jìn)行生物合成的能力。

提升太陽(yáng)能生物制造效率

在材料創(chuàng)新基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了光電子驅(qū)動(dòng)代謝重構(gòu)的分子機(jī)制。通過(guò)代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)焦磷酸硫胺素（TPP）相關(guān)代謝途徑在光照條件下顯著上調(diào)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，TPP在光生電子向生物能量分子轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵“橋梁”作用，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵的能量分子（NAD(P)H與ATP）的再生，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)光電子與細(xì)胞能量分子之間的高效耦合。

圖 人工光合工程細(xì)胞內(nèi)光電子流，推動(dòng)廢棄碳資源的高效升級(jí)轉(zhuǎn)化

這意味著，研究團(tuán)隊(duì)不僅為非光合微生物安裝了“人工捕光天線”，還重構(gòu)了胞內(nèi)“電子流通路”，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向生物能量分子的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化與高效利用，從機(jī)制層面夯實(shí)了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)生物制造的技術(shù)基礎(chǔ)。

在研究試驗(yàn)中，人工光合作用工程細(xì)胞成功合成了多種高附加值產(chǎn)品，包括2,3-丁二醇（BDO）、生物塑料PHB和航空燃料α-法呢烯等生物基化學(xué)品、生物材料和生物燃料，顯示出廣泛的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)潛力。該細(xì)胞能利用海藻提取物甘露醇、秸稈水解液等多種廢棄物作為碳源。在5升發(fā)酵罐中，以工業(yè)糖蜜廢水為主要原料，BDO的產(chǎn)量達(dá)到30.71克/升，驗(yàn)證了該體系在規(guī)模化生產(chǎn)和廢碳升級(jí)轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用潛力。

“相比傳統(tǒng)依賴糖類原料發(fā)酵或在體系中自行合成雜合體的生物制造方法，這種新型人工光合工程細(xì)胞能夠顯著減少溫室氣體排放、降低生產(chǎn)成本，表現(xiàn)出良好的環(huán)境可持續(xù)性和產(chǎn)業(yè)化潛力。”論文通訊作者高翔表示。

該研究在細(xì)胞內(nèi)部建立了太陽(yáng)能向生物能量分子高效轉(zhuǎn)化的通路，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與生物制造的深度融合，為可再生能源直接驅(qū)動(dòng)綠色化學(xué)品生產(chǎn)提供了新范式。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步融合合成生物學(xué)、材料科學(xué)與能源化學(xué)優(yōu)勢(shì)，拓展CO2、廢塑料及工業(yè)廢水等非糧碳源的高值化利用路徑，推動(dòng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)合成生物制造向高效率、可擴(kuò)展與可持續(xù)方向發(fā)展。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院官網(wǎng)

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